计算机三维仿真技术在复杂足踝部骨折手术中的应用

章 莹，夏远军，万 磊，吴 文，谭新宇，谢会斌，刘汉辉，尹庆水

足踝部骨折包括胫骨远端骨折、跟骨骨折、踝关节骨折、距骨骨折、足跗骨骨折和跖趾骨骨折，此类骨折较为常见，但治疗效果却不尽人意。究其原因，主要是受制于足踝解剖结构及其生物力学机制的复杂性[1]。临床上术者往往很难依据平面图像获得足踝部骨折的整体精确三维图像，并在此基础上以有效恢复生物力学机制为目的制定个体化骨折治疗方案。而一旦术中未能使骨折获得良好复位，就极易导致创伤性关节炎等手术并发症的发生[2,3]。本研究采用CT图像、计算机三维重建和三维设计模拟技术，在术前建立足踝部骨折的三维数字模型，以恢复踝关节的胫距关节面、距骨的距下关节关节面为基准，并在测量数据的基础上进行撬拨复位计算机三维虚拟，测算撬拨复位旋转角度以及需要撬拨复位的程度，从而设计出使关节面骨折解剖复位的理想方案。以此作为术中的参考依据，在C型臂X线机监测下按计算机设计方案实施手术，复位效果满意。

1 资料与方法

1.1 一般资料与分组

对我院2007年11月～2009年8月收治的255例复杂足踝部骨折患者进行手术治疗，其中123例采用传统手术方法进行治疗，另132例在术前进行CT图像三维重建、计算机三维模拟手术和个体化标本预手术的基础上实施精确化手术。对获得随访的196例患者进行回顾性研究，其中计算机辅助组105例，男61例，女44例，年龄14～69岁，平均32.5岁；致伤原因：高处坠落伤49例，车祸伤33例，其他原因23例，受伤到治疗时间3 h～5 d。常规手术组91例，男51例，女40例，年龄16～64岁，平均29.3岁。致伤原因：高处坠落伤39例，车祸伤21例，其他原因31例，受伤到治疗时间3 h～5 d。两组性别、年龄、骨折类型、受伤到治疗时间等一般资料相似。

1.2 手术方法

1.2.1 传统手术方法 常规手术切口，直视下复位骨折块并植骨，植骨量为6～20 g，术中根据不同情况选用解剖钛钢板、松质骨螺钉进行内固定。

1.2.2 计算机辅助个体化手术方法

1.2.2.1 CT数据的处理和足踝部骨折三维重建：选择患者足踝骨折处CT平扫DICOM 3.0格式数据，扫描层距1 mm。在Mimics 11.1中调用图像数据序列，设定Threshold line=1500（Hounsfield scale），启动Region Growing对跟骨建立Mask像素集合。执行Calculate 3 d form mask，建立以健侧为镜像的患侧跟骨正常状态的三维模型。患侧骨折块具有相近的Hounsfield值，故对骨折块的分割采用手动逐层追踪，建立各骨折块的Mask像素集合，再由Mask运算出跟骨各骨折块的3D Object，经Unite布尔运算获得患侧骨折三维模型。调用FEA模块的Smooth功能抛光三维模型表面，减少三维图像信号噪音，以利于选择表面观察点。

1.2.2.2 撬拨复位计算机三维设计：对跟骨结节骨折块3D Object采取Rotate操作，缓慢旋转跟骨骨折块，模拟手术撬拨过程，使Bohler角逐渐恢复至健侧水平。测量跟骨结节撬拨旋转角度，对胫骨远端和三踝骨折的骨折块3D Object进行移动操作，模拟手术复位过程，使骨折恢复至正常位置，同时打印跟骨骨折复位后图片，以此作为术中参考依据。

1.2.2.3 个体化精确手术：采用计算机模拟足踝部骨折复位后打印图片，通过计算机测量骨折块撬拨角度，为个体化手术提供参照（图1），使足踝部骨折精确复位成为可能[4,5]。采用常规手术切口，按术前设计的方案用骨刀将塌陷的骨折块撬起以恢复关节面平整及高度，按术前估计的植骨量采用人工骨或自体髂骨条植骨，植骨量为6～20 g，按术前模拟手术选用解剖钛钢板、松质骨螺钉进行内固定。撬拨复位在C型臂X线机的透视下可发现复位固定的足踝部骨折与计算机足踝骨折复位后打印图片一致（图2）。

图1 粉碎性跟骨骨折的术前三维重建及撬拨复位模拟

1.3 临床观察指标

术中记录计算机辅助组和常规手术组的复位固定时间；术后拍摄跟骨侧位和轴位像以及踝关节正侧位像X线片，观察术后骨折复位情况；术后6个月按照美国足踝外科学会足部功能评分系统（Hindfoot score）[3]对两组的踝关节功能进行评估：包括疼痛（40分）、功能（50分）和力线（10分）3个方面，总分100分，90～100分为优，75～89分为良，50～74分为可，＜50分为差。

1.4 统计学方法

所有数据应用SPSS 11.0软件进行统计学处理。术中观察指标的分析采用t检验，术后踝关节功能比较采用χ2检验，以P＜0.05为差异有统计学意义。

2 结果

255例患者术程顺利，其中196例患者获得6～36个月随访，平均随访时间12个月。计算机辅助组105例，常规手术组91例，复位固定时间分别为（44.3±5.4）min和（56.3±5.7）min，两组比较为差异有统计学意义（t=4.510，P=0.000）；随访6个月计算机辅助组踝关节功能评分（优60例，良35例，可10例，优良率90.4%）优于常规手术组（优39例，良32例，可14例，差6例，优良率78.0%），但两组比较为差异无统计学意义（χ2=1.418，P=0.165）。

3 讨论

足踝部骨折是骨科常见损伤之一，因骨折常波及关节面，所以即使是轻微移位亦有其重要的临床意义[6,7]。移位的足踝部骨折尽管可以通过闭合复位手段取得满意复位甚至解剖复位，但维持这种复位通常需要以长腿石膏托固定于非功能位至少6周，康复期较长且并发症多，故对于无手术禁忌证、骨折块波及关节面的移位足踝部骨折，通常主张行开放复位内固定手术。

由于踝关节面积小、承重大且接近地面，导致作用于踝关节的承重应力缓冲小，其承重力线的改变无法被其他关节代偿；此外，踝穴的完整性依赖于腓骨的正常长度、胫骨和腓骨切迹中的精确位置以及下胫腓联合的完整性[8]，故对足踝部累及关节面的骨折要求达到解剖复位，踝穴、距下关节的解剖复位以及早期恢复踝关节活动范围是足踝部骨折治疗的基本原则[9]。传统手术术前无法完整评估骨折的复杂情况，从而使骨折复位不良、术后创伤性关节炎的发生率较高。

数字化测量、计算机模拟、三维仿真等技术的发展和应用为创伤骨科的临床研究和诊疗方式提供了新的思路：首先，以往通过X线片测量获得的数据现在可以通过数字化技术进行三维测量，结果更准确真实[10,11]；其次，随着数字化骨科学的发展，数字化引导下快速成型制作三维导航模板技术日益成熟，可以使需要术者具备丰富经验的手术变得简单易行，准确性和安全性得到很大程度的提高[12,13]。足踝部结构复杂，骨折后的状况更为复杂，个体差异明显，治疗颇为棘手。采用计算机三维仿真技术治疗复杂足踝部骨折，在术前建立足踝部骨折的三维数字模型，可以使术者对骨折的粉碎程度和关节面塌陷程度有清醒的认识和明确的了解[14]，并能仿真分析治疗效果，为关节面的恢复提供新的手段；术前进行手术方案的设计和优化，可以明显缩短手术时间，减少术中出血量，减少手术创伤。

图2 计算机辅助手术前后X线片

本组病例采用CT图像、计算机三维重建和三维手术设计模拟技术治疗复杂足踝部骨折，结果表明，术前建立足踝骨折的三维数字模型并对关节面塌陷的数值进行三维测量，可以从3个方面提高胫距关节面和距关节面恢复的精确度：其一，进行撬拨复位计算机三维虚拟仿真，使需要撬拨复位的程度与关节面的恢复相关联，并在术前进行模拟撬拨复位，从而使术者做到心中有数，在实际撬拨操作时更加熟练准确，从而提高手术的精准度和安全性；其二，在三维数字影像技术的支持下，对病人健侧、患侧足踝部进行个体化三维设计和监测，可解决个体差异带来的影响；其三，计算机辅助设计可预测需要植骨的体积，为术后确定植骨量提供数据基础。在本组进行的回顾性研究中，计算机辅助组的术中复位固定时间短于传统手术组，两组比较为差异有统计学意义（P＜0.05）；随访期间计算机辅助组的踝关节功能评分优于传统手术组，两组比较为差异无统计学意义（P＞0.05），推测可能与例数较少有关。以上结果印证了在复杂足踝部骨折手术中应用计算机三维仿真技术，能有效减少术中复位固定时间，改善踝关节功能，提高临床疗效。

尽管计算机三维仿真技术治疗复杂足踝部骨折具有明显的优势，但仍然存在以下不足之处：（1）目前的数字化软件操作繁琐，需要由熟练掌握相关计算机软件和创伤骨科专业知识的人员完成，不利于技术的普及和推广；（2）分割骨折块耗时，骨折块的分割亦无法做到与实际骨折完全一致；（3）手术模拟与实际操作仍有差距，实际手术往往无法达到模拟复位的程度。因此发展更加简单实用的数字化模拟软件和更加精确的模拟工具仍然是数字化骨科发展的方向[10]。

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